成果斐然!2019年中国科学技术大学发表9篇CNS

发布时间: 2019-10-16

  2019年,是中国科学技术大学快速发展的一年,科研成果斐然,截至5月31日,中国科学技术大学在Science 发表了4篇文章,Nature 发表了4篇,Cell 发表了1篇。

  【1】指导单自旋系统的演化对量子计算和量子传感至关重要。 从理论上研究了量子系统的动力学,奇偶时间对称的哈密顿量表现出奇异的性质。尽管在经典系统中已经探索了奇偶时间对称性,香港马会资料379988车牌号码吉凶测试但是它在单个量子系统中的观察仍然是难以捉摸的。

  2019年5月31日,中国科学技术大学杜江峰及荣星在Science 在线发表题为“Observation of parity-time symmetry breaking in a single-spin system”的研究论文,该研究证明非Hermitian物理学可以在固态量子系统中找到。该研究开发了一种称为扩张的方案,将PT对称哈密顿量转换为厄米尔式哈密顿量。 这使研究人员能够用钻石中的单个氮空位中心来研究PT对称物理学。 该结果为开发和理解量子系统中PT对称Hamiltonian的奇异性质提供了一个起点。

  【2】疱疹病毒是包膜病毒,在人群中普遍存在,并且导致各种病症,包括唇疱疹,先天缺陷和癌症。它们的特征在于伪二十面体衣壳包裹紧密堆积的双链DNA(dsDNA)基因组。疱疹病毒生命周期中的关键过程涉及将ATP驱动的终止酶募集到独特的顶端入口以识别,包装和切割多联体dsDNA,最终产生含有基因组的病毒粒子。虽然已经在dsDNA噬菌体中研究了这一过程,但是缺乏基因组包装的高分辨率原位结构,这阻止了这些多步反应的阐明。

  2019年5月30日,加州大学洛杉矶分校的Z. Hong Zhou团队(中国科学技术大学位第一单位,刘云涛为第一作者)在Nature 杂志上发表了题目为“Cryo-EM structures of herpes simplex virus type1 portal vertex and packaged genome”的研究论文,这项工作解决了先前模糊的HSV-1顶端入口结构,并揭示了通过分子间和分子内可塑性来调节对称性错配。该工作利用冷冻电镜首次解析了人类疱疹病毒基因组包装的关键机制以及病毒的DNA基因组结构,有助于预防和控制疱疹病毒引发的多种疾病,并可望改造疱疹病毒用于靶向治疗。

  【3】2019年5月2日,中国科学技术大学潘建伟,范桁及朱晓波等人在Science 在线发表题为“Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor”的研究论文,该研究使用超导量子比特作为具有高保真操作和断层扫描读数的人工原子,在12比特的超导处理器上研究了一个和两个强相关微波光子的连续时间量子行走。有趣的是,该研究观察到基本量子效应,包括叠加态量子信息的光锥传播,特别是量子比特对之间的纠缠,以及时间演化相关的奇异行为,表示光子反聚束与有吸引力的相互作用。该研究制备出12个超导比特的量子多体纠缠态,不但刷新世界纪录,并为进一步研究多体动力学现象和通用量子计算奠定了基础;

  【4】2019年4月10号,中国科学技术大学薛永泉/张冰研究团队等人在Nature上在线发表了题为“A magnetar-powered X-ray transient as the aftermath of a binary neutron-star merger”的文章,发现了首例双中子星并合形成的磁星所驱动的X射线暂现源,证实了双中子星并合直接产物可以是大质量毫秒磁星,明确了一系列关于中子星物态方程与极高磁场强度等基本物理规则条件,进而深化了对中子星基本属性的认识,证实了之前的理论预言;

  【5】2019年3月29日,中国科学技术大学傅尧和尚睿研究团队在Science发表题为Photocatalytic decarboxylative alkylations mediated by triphenylphosphine and sodium iodide的研究论文,该团队首次提出了基于可见光激发的分子间电荷转移用于光氧化还原催化的新概念,发现了一种简单易得、高效环保的非金属阴离子复合物光催化体系,成功实现了温和条件的脱羧偶联反应,突破了传统反应需要贵金属光催化剂或有机染料的限制;

  【6】2019年2月28日,中国科学技术大学薛天,鲍进及马萨诸塞大学医学院韩纲共同通讯在Cell 在线发表题为“Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae”的研究论文,该研究开发了可注射眼球注射光感受器的上转换纳米粒子(pbUCNPs)。这些纳米颗粒锚定在视网膜光感受器上作为微型NIR光传感器,以产生具有可忽略的副作用的NIR光图像视觉;

  【9】二维电子系统中量子霍尔效应(QHE)的发现使拓扑在凝聚态物理中发挥了核心作用。尽管几十年前提出将QHE推广到三维(3D)电子系统的可能性,但尚未通过实验证明。

  研究人员在磁场下对块状ZrTe5晶体进行低温电传输测量,并在相对较低的磁场下实现极限量子极限,其中仅占用最低的Landau水平。在这种情况下,研究人员观察到接近于零的无耗散纵向电阻率,伴随着与沿场方向的费米波长的一半成比例的良好发展的霍尔电阻率平台。这种响应是3D QHE的特征,强烈暗示了在极限量子下由增强的相互作用效应驱动的费米表面不稳定性。该研究结果提供了3D QHE的实验证据,并为进一步探索3D系统中的奇异量子相和跃迁提供了有希望的平台。

  实现对量子系统的调控是人类认识并利用微观世界规律的必然诉求,也是诸多前沿科学领域的核心要素。自旋作为一种重要的量子调控研究体系,在世界各国的量子计划中均被列为重点研究对象。

  开展单自旋量子调控研究有助于人们在更深层次上认识量子物理的基础科学问题,将有力推动基于量子力学原理的量子信息科学、量子精密测量、量子导航等诸多前沿学科研究。

  杜江峰研究组长期在固态自旋量子调控及应用方面进行研究,系统性提出了固态自旋量子调控实验方法新理念,并立足国内自主研制了一系列国际领先的自旋调控实验装备,在自制装备上系统性地发展了单自旋量子调控技术,把微观磁共振手段推广应用于物理、生物、化学等前沿科研中。本文是他们继实现世界最高精度的单自旋量子操控之后,将目标聚焦于如何在单自旋体系中实现非厄米哈密顿量的操控,以期实现新奇的物理学现象观测。

  众所周知,量子体系的状态演化由哈密顿量确定并服从薛定谔方程。在传统量子力学框架中,实的能量本征值由哈密顿量满足厄米性所保障。

  然而,Bender于1998年提出一类满足宇称时间对称性的非厄米哈密顿量也可保证物理能量本征值为实数,可以描述包括开放系统在内更普遍的对象,从而拓展了量子力学的范畴。尤其值得指出的是,非厄米哈密顿量所描述的物理体系能够展示出一些新奇的物理性质,因此激发了物理学界强烈的研究兴趣。

  尽管宇称时间对称哈密顿量的概念源于对量子力学框架的拓展,但是通常的量子体系由厄米哈密顿量所描述,从而要在通常的量子体系中实现宇称时间对称哈密顿量的演化具有巨大挑战。先前的理论指出引入耗散过程可实现宇称时间对称哈密顿量,然而耗散会不可避免地破坏量子相干性,非常不利于在量子系统中开展相关研究,因此之前绝大部分相关研究为基于经典物理体系开展模拟实验。

  杜江峰研究组提出了一种新理论方案,通过引入一个辅助比特在量子系统中研究由非厄米哈密顿量所支配的演化规律。该方法对非厄米哈密顿量本身没有任何限制,包括任何维度及含时演化,均只需要消耗一个辅助比特的代价来实现。基于此方案,研究组将金刚石中的一个氮-空位缺陷中的电子自旋用作系统比特,一个核自旋作为辅助比特,实现了宇称时间对称哈密顿量,并观测到宇称时间对称性破缺现象。

  实验结果首次展示了单自旋量子态在宇称时间对称哈密顿量支配下的演化。通过调节哈密顿量的参数,可以清晰地观测到从对称性未破缺到对称性破缺的相变过程(如图所示)。实验结果验证了新方案的可行性,为进一步研究非厄米哈密顿量相关的新奇物理性质提供了坚实的基础。

  图:实验观测到宇称时间对称性破缺。A、B分别为宇称时间对称哈密顿量HPT本征能量E的实部和虚部。哈密顿量在其参数0r1的区域,宇称时间对称性未破缺,能量本征值为实数;在r1的区域,宇称时间对称性破缺,能量本征值为虚数;r=1处为相变点。(图来源于《科学》文章正文)

  该工作使得人们能够用一种更普遍的方式来实现量子调控,从而开启了实验研究非厄米量子力学的新篇章。该成果适用于在各种量子体系实现任意非厄米哈密顿量,从而为开展广泛的量子力学基础问题研究,例如在非厄米哈密顿量下研究新拓扑不变量、量子热力学、以及开放系统中的退相干和耗散等提供实现途径。另外基于相变点可以提高量子测量的灵敏度,有望在基于金刚石色心的量子精密测量领域得到重要应用。

  中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生伍旸和硕士研究生刘文权为该文并列第一作者,杜江峰院士和荣星研究员为论文的共同通讯作者。此项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。

  Nature:中国科大在揭示人类疱疹病毒的基因组包装机制方面取得重大突破

  2019年5月30日,《自然》杂志在线发表了中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心、生命科学学院刘云涛博士、毕国强教授与合作者的研究论文,该工作利用冷冻电镜首次解析了人类疱疹病毒基因组包装的关键机制以及病毒的DNA基因组结构,有助于预防和控制疱疹病毒引发的多种疾病,并可望改造疱疹病毒用于靶向治疗。

  疱疹病毒在自然界中广泛存在,在感染人体后能够引发多种疾病,包括带状疱疹、出生缺陷、多种免疫系统疾病以及癌症。疱疹病毒包括囊膜、中间体蛋白层、衣壳和基因组四层结构,其中衣壳通常被视为一个正二十面体,其上有一个独特的DNA通道,是病毒基因组进出的地方。

  在疱疹病毒生命周期中,最关键的过程之一就是将DNA剪切酶“召集”到该DNA 通道上,识别、包装和切割双链DNA,最终产生含有基因组的病毒粒子。当病毒基因组在病毒衣壳内装满后,会发出某种信号,从而切除冗余的DNA以完成组装。由于缺乏病毒基因组和衣壳DNA通道的高分辨结构,人们对于病毒粒子的基因组包装过程知之甚少。

  利用冷冻电镜解析生物大分子的原子分辨率三维结构已成常态,然而对于疱疹病毒基因组结构以及包装基因组的分子机器(即DNA通道)的结构解析仍旧需要克服诸多困难,例如:1、疱疹病毒颗粒具有巨大的直径,导致对于每个病毒颗粒来说,只有部分区域在冷冻电镜成像时能够很好地处于成像焦平面,极大限制了结构解析的分辨率。2、通常对疱疹病毒结构的解析采用正二十面体对称的重构方式来获得高分辨衣壳结构,但是DNA通道和基因组不符合二十面体对称性。3、DNA具有双螺旋对称,DNA通道蛋白大致具有十二重对称性,而病毒顶点的衣壳蛋白具有五重对称性,这种偶联的对称性不匹配极大地增加了结构解析的复杂度。

  为了攻克这一难题,研究人员建立了一套基于连续局部分类和对称性释放的重构方法,有效地从病毒的冷冻电镜照片中重建出DNA通道的原子分辨率结构和大部分基因组的三维结构,发现病毒基因组具有左手超螺旋的缠绕方式和一个无序核心。

  进而,提出病毒可以通过序列识别和构象传递两种方式感知和传递基因组包装的信号,并发现病毒使用“刚性框架-灵活连接”策略获得不匹配的对称性,这种不对称性导致的棘轮运动可能是病毒DNA转运进出衣壳的结构基础。

  理解疱疹病毒DNA转运和基因组包装信号获取和传递的基本规则,一方面有望针对性用于疱疹病毒引起的疾病的预防和控制;另一方面,这些发现有助于对疱疹病毒进行改造,使其成为更实用的载体工具,并用于靶向治疗或大脑神经环路示踪等。此外,病毒这种通过DNA超螺旋组装方式来减轻基因组组装过程中的DNA变形扭矩,对于揭示细胞的基因组组织结构有借鉴意义。

  该研究展示了疱症病毒完整的非对称结构,获得了第一个真核生物病毒的DNA通道原子模型,也是第一次探测到DNA在通道里的扭曲状态。审稿人评论说,“作者采用最前沿的局部分类方法对疱疹病毒结构的完美解析,堪称高分辨冷冻电镜三维重建的匠心力作。”

  Science:超导量子计算在强关联纠缠体系的量子随机行走实验研究中取得重要进展

  中国科学技术大学潘建伟、朱晓波和彭承志等组成的超导量子实验团队,联合中国科学院物理研究所范桁等理论小组,开创性地将超导量子比特应用到量子随机行走的研究中。该工作将对未来多体物理现象的模拟以及利用量子随机行走进行通用量子计算研究产生重要影响。这一重要研究成果于5月2日在线发表在国际权威学术期刊《科学》上。

  量子随机行走是经典随机行走在量子力学中的拓展,区别于经典随机行走,量子随机行走利用量子叠加态的特性,粒子在格点中游走特性需要用量子力学的波函数统计规律来诠释。量子随机游走本身可以模拟多体物理体系的量子行为,并且理论上最终可用于通用量子计算,因而引发了高度关注。

  超导量子计算作为量子计算最有前景的方案之一,受到各国政府的高度关注,也得到了包括Google、IBM、Intel、腾讯、阿里巴巴等在内的各大型公司的直接投入。超导量子计算作为固态量子计算方案,其内在的优势就在于其工艺上就具有良好的可扩展性。然而在不断集成更多的量子比特的同时,如何保证所有量子比特的质量是目前最大的挑战。

  近两年来,虽有报道IBM、Google等公司的超导量子计算研究团队分别研发了50比特及72比特的超导量子处理器,但是至今仍未能有完整的公开数据表明其处理器的质量,在最大纠缠比特数目这一标定多量子比特计算系统的关键指标上也没有结果发表。潘建伟教授及其同事朱晓波、陆朝阳、彭承志等人通过设计和加工了高品质的12比特一维链超导比特处理器,成功实现了12个超导量子比特的多体真纠缠态“簇态”的制备。

  这个新的工作打破了此前由中国科大、浙江大学、物理所联合研究组创造的10个超导量子比特纠缠的记录。尤其重要的是,中国科大小组生成纠缠的方式是由标准的量子比特门搭建而成,不同于先前的集体共振耦合,根本上具有更好的可扩展性。这一记录也是目前固态量子系统内最大的多体真纠缠比特数目,标志着中国科大自主研制的超导量子计算系统的整体性能已达到了国际最先进的水平,为下一步实现大规模随机线路采样等“量子霸权”问题和可扩展单向量子计算奠定了基础。相关成果以“编辑推荐”的形式近期发表于《物理评论快报》。

  图1:单光子在11个一维链超导量子比特中的随机游走。A/D、B/E、C/F分别为从中间位置、最左端及最右端开始激发量子比特并进行随机游走。实验上清晰地观察到了激发在边缘的反射形成的回波,与理论吻合。(图来自《科学》文章正文)

  正是基于所自主研制的高质量的超导量子计算系统,研究团队首次在固态量子计算系统中实验演示了强关联纠缠体系的量子随机游走。研究团队研究了单粒子及双粒子激发下一维短程耦合的量子随机行走,观察到了高保真度的态、纠缠度及关联函数在时空光锥中的含时演化。

  此外,实验上首次观察到了由于边界反射及波函数干涉形成的次级纠缠波阵面的传播行为。在引入双粒子激发的情况下,实验上观测到了由时间依赖的长程反相关的强关联光子形成的费米子化行为,描绘出光子的反聚束行为。该工作首次利用人工量子比特进行光子反聚束行为的模拟,为未来利用量子随机行走进行多体物理现象的模拟以及通用量子计算研究打下了基础。

  图2:双光子在12个量子比特中的随机游走。A、B分别展示了激发中间位置及边缘位置两个量子比特后的随机游走行为。C-H展示了随着时间演化,二阶关联与量子比特运动方向的关系,展示了强关联光子的费米子化行为。(图来自《科学》文章正文)

  中国科学技术大学朱晓波是负责该项工作实验部分的通讯作者,中国科学院物理研究所范桁是负责理论部分的通讯作者。闫智广(中国科学技术大学)、张煜然(北京计算科学中心/物理所)和龚明(中国科学技术大学)是文章的共同第一作者。

  上述工作得到了科技部、中科院、国家自然科学基金委、安徽省和上海市等单位的资助。

  中国科学技术大学物理学院天文系薛永泉教授研究组领衔的一项研究,发现了首例双中子星并合形成的磁星所驱动的X射线暂现源,证实了双中子星并合直接产物可以是大质量毫秒磁星,明确了一系列关于中子星物态方程与极高磁场强度等基本物理规则条件,进而深化了对中子星基本属性的认识,证实了之前的理论预言。该研究成果以“A magnetar-powered X-ray transient as the aftermath of a binary neutron-star merger”为题,于4月11日在线发表在国际权威期刊《Nature》上。

  中子星是大质量恒星演化后期发生超新星爆炸以后形成的致密天体,是宇宙中最为神奇的天体之一。它几乎全部由中子组成,具有超高密度(即核密度,为水密度的上亿倍)、超强磁场(为地表磁场的上亿倍)等极端物理属性,是检验基本物理规律极佳的天然实验室。然而,迄今为止,人们对于中子星自身基本属性(例如物态方程)的认识还是相对模糊的。

  双中子星并合的直接产物除了黑洞之外是否还可能是中子星,一直以来尚无定论。早在2006年南京大学戴子高教授领衔的一项理论研究就预言,如果中子星物态方程足够硬,即压强随着核密度变大而显著增加,则至少应有一些双中子星并合事件在产生引力波暴的同时,会产生大质量毫秒快转的极强磁场中子星(即毫秒磁星,其磁场为地表磁场的上百万亿倍;见图1)或者甚至是稳定的中子星。由于磁星所驱动的X射线辐射基本各项同性,因而如果观测视线与其喷流(会产生短伽玛射线暴)方向夹角较大时,我们将预期看到一个没有对应的短伽玛射线暴、光变曲线具有特征平台期的X射线暂现源,然而这样的天体却从未被发现。

  薛永泉教授等人在迄今为止最深、最灵敏的X射线巡天——七百万秒钱德拉南天深场(7Ms CDF-S)里发现了一个新型的X射线暂现源(称为CDF-S XT2,简称XT2;其X射线亿光年远。观测数据与理论分析显示:(1)XT2没有伽玛射线的光变曲线具有从平台期(即光度基本不变)到下降期(光度随时间t成-2次方幂律衰减)快速演化的特征形状与时标(见图2左上及图2下),与理论预言的大质量毫秒磁星产生的X射线位于其寄主星系的外沿(见图2右上),这和双中子星受超新星爆炸不对称的反冲力作用被“踢出”至星系边缘的图像吻合;而且基于XT2寄主星系各项物理属性算出的XT2起源于双致密星并合的概率非常得高。(4)估算的类似XT2的暂现源事件发生率被修正到位于近邻宇宙里的值时,其与由第一例双中子星并合引力波事件GW170817可靠导出的双中子星并合发生率相符,从而进一步支持了XT2的双中子星并合起源。以上论据一致表明,XT2是首例双中子星并合形成的磁星所驱动的X射线暂现源,且其没有对应的短伽玛射线的X射线特征光变曲线(左上)与图像(下)及其相对寄主星系的位置(右上)

  中国科大薛永泉教授为该论文第一兼通讯作者,其硕士研究生郑学琛与美国内华达大学张冰教授为论文共同通讯作者,北京大学李晔博士与紫金山天文台吴雪峰研究员等人为论文主要作者。该项研究得到了国家自然科学基金、科技部973计划、中科院前沿科学重点研究计划项目等的资助。论文链接:

  Science:中国科学技术大学在可见光催化脱羧偶联反应领域取得重要突破

  光催化利用光照来激发电子引发化学反应,能够在温和条件下实现化学键的断裂与重组。相比于传统的加热反应,具有绿色清洁、安全环保和易于控制等优点。

  近年来,光催化反应在合成化学领域不断取得突破,一系列光催化反应体系被发现,并成功应用于各种复杂化合物的合成中,展现出突出的合成价值和应用潜力。然而,目前光催化剂主要为贵金属配合物(Ir、Ru等)和有机染料,催化体系通过吸收可见光来激发电子从基态跃迁到激发态,进而与底物发生单电子转移(SET)实现催化循环(图1-1)。而这种可见光诱导的分子内电荷转移需要分子中含有大π离域结构或者金属-配体络合共轭产生带隙,才能在低能量可见光范围内具有吸收效应,因此为了实现可见光激发的电子跃迁,需要引入复杂分子结构,会不可避免地增加光催化剂的成本。

  光诱导分子间的电荷转移可以通过非共价键的方式在电子给体和受体之间发生,并不限定每一个底物(给体或受体)都要在特定波长范围内具有吸收效应,只需要满足给体和受体结合形成的复合物在特定波长的范围内具有吸收即可,这样就可以简化光催化体系构成,降低催化剂成本。虽然这种光能利用方式已广泛应用于光伏器件中,但以催化还原催化循环的机制应用于合成领域仍是未被提出过的新概念。

  中国科学技术大学傅尧和尚睿研究团队长期致力于发展生物质来源的有机羧酸脱羧转化领域的研究。基于绿色催化的理念,该团队首次提出了基于可见光激发的分子间电荷转移用于光氧化还原催化的新概念,发现了一种简单易得、高效环保的非金属阴离子复合物光催化体系,成功实现了温和条件的脱羧偶联反应,突破了传统反应需要贵金属光催化剂或有机染料的限制。研究成果以“Photocatalytic decarboxylative alkylations mediated by triphenylphosphine and sodium iodide”为题,于2019年3月29日以研究长文的形式在线发表在国际权威期刊《Science》上。

  文中通过理论计算发现碘化钠、三苯基膦以及活性羧酸酯通过库仑力形成电荷转移复合物(CTC)释放能量值为3.8 kcal/mol。按照Marcus理论,碘到邻苯二甲酰亚胺片段的电子转移能垒为61.2 kcal/mol,而不加入三苯基膦时,类似的电子转移过程必须克服更高的能垒(86.5 kcal/mol)。三苯基膦一方面可以促进电子的转移,另一方面可以捕获碘自由基形成Ph3P–I•。理论计算结果表明Ph3P–I•具有还原能力,其自旋密度离域于碘原子和膦原子之间,这种阴离子复合物类似于氧化还原型光催化剂的氧化态的形式,具有参与构建光诱导的氧化还原循环圈的可能(图1-2)。

  结合上述理论计算研究,该研究团队成功实现了催化脂肪羧酸衍生物脱羧反应,生成的烷基自由基中间体可以和多种底物结合,实现温和条件下的Minisic反应和Heck反应。通过该催化体系,多种天然、非天然氨基酸可以与烯醇硅醚发生反应,并且放大到克级规模时仍可保持较高的催化效率,为β-氨基酮类化合物的制备提供一种有效途径。更有价值的是,该催化体系与商业化的手性磷酸协同催化时,氨基酸可以与氮杂环反应,实现氮杂环C2位不对称α-氨基烷基化反应,为含氮杂环类药物分子的不对称修饰提供了一种有效手段。此外,天然产物和合成化学品中广泛存在的烷基胺类衍生物还可以发生脱氨Heck反应。(图2)。

  Cell:中国科学技术大学薛天,鲍进及马萨诸塞大学医学院韩纲使人看得更远

  视觉是人类必不可少的感官方式。我们的视觉系统可以探测到400到700 nm之间的光,即所谓的可见光。在哺乳动物感光细胞中,由视蛋白及其共价连接的视网膜组成的光吸收色素被称为固有光子检测器。然而,检测较长波长的光,例如近红外(NIR)光,虽然是理想的能力,但对哺乳动物来说是一项艰巨的挑战。

  这是因为利用较低能量的光子检测较长波长的光需要视蛋白(例如,人类红锥视蛋白)具有低得多的能量障碍。因此,这导致难以忍受的高热噪声,因此使NIR视觉色素不实用。这种物理限制意味着没有哺乳动物感光器可以有效地检测超过700nm的NIR光,并且哺乳动物不能看到NIR光并将NIR图像投射到大脑。

  为此,纳米粒子与生物系统的成功整合加速了基础科学发现及其向生物医学应用的转化。在这里,研究人员报告了一种可注射,自供电,内置近红外光纳米天线,可以将哺乳动物的可见光谱扩展到近红外范围。这些视网膜光感受器结合上转换纳米颗粒(pbUCNP)充当微型能量转导器,其可以将体内哺乳动物的不可见NIR光转换成短波长可见发射。

  通过视觉皮层中的体内视网膜电图(ERG)和视觉诱发电位(VEP)记录,研究人员显示注射pbUCNP的小鼠的视网膜和视皮层均被NIR光激活。通过动物行为测试,研究人员进一步证明注射pbUCNP的小鼠获得了NIR光感和独特的环境日光兼容的NIR光图像视觉。因此,内置的NIR nanoantennae可以使哺乳动物的视觉光谱有效地延伸到NIR领域而没有明显的副作用。令人兴奋的是,研究人员发现注射pbUCNP的动物同时感知NIR和可见光模式。

  因此,这些新型光感受器结合NIR光纳米天线提供可注射的,自供电的,生物相容的和NIR可见光兼容的解决方案,以将哺乳动物视觉光谱扩展到NIR范围。这一概念验证研究应指导未来的研究,以扩展人类和非人类视觉,而无需任何外部设备或遗传操作。赋予具有近红外视觉能力的哺乳动物也可以为重要的民用和军用应用铺平道路。

  Nature:中国科学技术大学在高效去除氢气中微量CO研究方面取得突破性进展

  氢能是未来最理想的一种清洁能源。氢燃料电池汽车以氢气为燃料,能量转化效率高,清洁零排放,是未来新能源清洁动力汽车的主要发展方向之一。然而氢燃料电池汽车的推广目前仍然困难重重,其中一个关键难题是氢燃料电池电极的CO中毒问题。现阶段,氢气主要来源于甲醇和天然气等碳氢化合物的水蒸汽重整、水煤气变换反应等,通常含有0.5%~2%的微量CO。作为氢燃料电池汽车的“心脏”,燃料电池电极极易被CO杂质气体毒化,从而致使电池性能降低和寿命缩短,严重限制了该类汽车的推广。富氢氛围CO优先氧化(PROX)是车载去除氢气中微量CO的最理想方式。然而现有PROX催化剂工作温度相对较高(室温以上)且区间窄,无法在寒冷条件下为氢燃料电池频繁冷启动过程中提供有效保护。

  针对该技术难题,中国科学技术大学路军岭教授、韦世强教授、杨金龙教授等课题组密切合作,利用原子层沉积技术(ALD),首次设计出一种新型Fe1(OH)x-Pt单位点界面催化剂结构(图1),并在低温高效去除氢气中微量CO制备高纯氢气方面取得突破性进展。研究成果以“Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H2”为题,于2019年1月31日在线发表在国际权威期刊Nature上。

  该工作中,路军岭课题组充分利用ALD技术中的表面自限制反应以及二茂铁金属源在贵金属表面解离吸附和分子间空间位阻效应的特性,成功地在SiO2负载的Pt金属纳米颗粒表面上,原子级精准地构筑出单位点Fe1(OH)x物种,进而促成了丰富且具有超高活性和高稳定性的Fe1(OH)x-Pt单位点界面催化活性中心的形成。在PROX反应中,研究人员利用该新型催化剂首次在~-75 °C至110 °C的超宽温度区间,成功实现了100%选择性地CO完全去除(图2a,b),极大突破了现有PROX催化剂工作温度相对较高且区间窄的两大局限性,为氢燃料电池在寒冷条件下频繁冷启动和连续运行期间避免CO中毒,提供了一种全方位的有效保护手段,从而为未来氢燃料电池汽车的推广扫清了一重大障碍。更难能可贵的是,该催化剂在模拟线和水汽都存在的情况下,仍可表现出极佳的稳定性(图2c),且比质量催化活性(5.21 molCOh-1gPt-1)是传统Pt/Fe2O3催化剂的30倍(图2d)。

  韦世强教授课题组利用原位X射线吸收谱(XAFS)从实验上探测到Fe1(OH)x物种在PROX反应气氛中的结构是Fe1(OH)3,Fe原子与Pt纳米颗粒表面Pt原子形成Fe-Pt的金属键,而无明显的Fe-Fe键,并且惊奇地发现该物种具有超高还原特性,在室温就实现氢气还原生成Fe1(OH)2,揭示了其高催化活性的内在原因。王兵教授课题组利用扫描隧道电子显微镜(STM)研究了FeOx ALD在Pt单晶表面的生长行为,观察到了亚纳米尺寸FeOx物种的形成,从而直接证明了在Pt表面上形成单分散Fe物种的可能性。与此同时,近常压X-射线光电子能谱(NAP-XPS)实验也进一步证实PROX反应气氛下,与Fe成键的氧物种是羟基物种。

  杨金龙教授课题组理论计算确定了Fe1(OH)3在Pt表面上的空间构型,证实Pt颗粒表面上形成的Fe1(OH)x-Pt单位点界面是其催化活性中心,并揭示了其催化反应机理:吸附的CO首先进攻其中一个OH,形成COOH表面中间物种;此后,O2在该界面处以极低的势垒活化;形成的原子O随后进攻COOH,最终生成CO2。

  众所周知,金属—氧化物界面在众多催化反应中起着至关重要的作用。该工作为人们设计高活性金属催化剂提供了一新思路。

  该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家基础科学中心项目、中组部“青年千人”计划、瑞典瑞典研究协会和克努特和爱丽丝布·瓦伦堡基金会的支持,并由衷地感谢北京同步辐射、上海同步辐射、合肥国家同步辐射中心以及瑞典Max-lab等国家实验室为该项研究提供的宝贵机时。

  Science:中国科学技术大学在超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得实质性突破

  中国科学技术大学潘建伟、赵博等利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得重大突破:他们通过对磁场的精确调控首次在实验上观测到超低温度下基态分子与原子之间的散射共振,向基于超冷原子分子的超冷量子化学研究迈进了重要一步。1月18日,这一重要研究成果发表在国际权威学术期刊《科学》上。

  量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力,不仅为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案,也可有效揭示复杂物理系统的规律,为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机,但这一目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算,实现这一目标仍然需要经过长期不懈的努力。当前,量子计算的短期目标是通过发展专用型量子计算机,即专用量子模拟机,能够在某些特定的问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如,超冷原子分子量子模拟,利用高度可控的超冷量子系统来模拟复杂的难于计算的物理系统,可以对复杂系统进行细致和全方位的研究,从而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。

  在量子模拟研究方向上,可爱又可怜:热天困在车内 萨摩耶用眼神“求救人们首先研究的是理论上可以处理的问题,通过理论和实验比较来演示量子模拟的可靠性和潜在的优越。例如,2016年潘建伟、陈帅等在《科学》杂志发表研究论文,首次在超冷原子量子模拟中实现了二维自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚,发展了超冷原子人造规范场模拟凝聚态拓扑问题的新途径;2017年,潘建伟、陆朝阳等在《自然·光子学》首次报道了针对玻色取样任务的光量子计算原型机,超越了早期的电子管和晶体管计算机,但仍需要技术上的进一步发展才可能超越目前的经典超级计算机。此外,最近IBM、Google等国际知名科技公司利用超导量子系统模拟了小分子体系的基态能量,结果误差满足化学精度,相关论文发表在《自然》杂志等学术期刊上。然而,对于这一类简化小分子,目前水平的演示性量子实验无论在速度和精度方面都仍然无法超过经典计算机。

  量子模拟最有前途的现实应用是真正解决那些经典数值计算方法无法有效求解的重要多体问题。当前,这些问题的解决是专用量子计算机的重要发展目标。例如,在化学物理领域,通过量子力学计算原子分子相互作用势能面以及模拟粒子在这一势能面下分子碰撞的动力学,就是这样一类重要科学问题。理论上计算原子分子的势能面需要求解多电子体系的薛定谔方程来得到电子系统的基态能量。由于电子之间存在强关联,其基态能量无法精确求解。因此理论量子化学发展各种方法来近似求解势能面,并在小质量少电子的分子体系取得了成功。但是对大质量多电子的分子体系,理论计算的势能面已经无法可靠地模拟分子碰撞中的动力学行为。

  通过构建针对特定问题的专用量子模拟系统,势能面的信息可以由实验测量原子分子的散射共振来获得。散射共振的测量结合理论建模可以准确地反推出势能面的全局信息,从而给出势能面最精准的刻画。分子的散射共振是典型的量子现象,只有在超低温度下才会显现出来。近年来,随着超冷原子分子技术的发展,完全可控的超冷基态分子可以从接近绝对零度的原子气中被制备出来。自2008年美国科学院院士黛博拉·金(Deborah Jin)和叶军(Jun Ye)的联合实验小组制备了铷钾超冷分子以来,多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来。但由于这种大质量多电子分子体系的散射共振无法在理论上进行预测,十多年来观测超冷分子的散射共振一直是该研究领域在实验上的重大挑战。

  在该项研究中,中国科学技术大学的研究团队首次成功观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的散射共振。在实验中,他们从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发,制备出处于不同超精细态的钠钾振转基态分子,并将之与处于不同内态的钾原子相混合。在此基础上,通过精密的调节磁场来精确地调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差,成功地在分子损失谱上观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰。这些散射共振提供了对含有高达49个电子的钾-钠-钾三原子分子复杂体系势能面的超高精度测量,成功获取了势能面在短程部分的重要信息。

  该工作得到《科学》审稿人的高度评价:“这是一个非常重要的和令人振奋的工作,虽然超冷分子已经被制备出来,却从没有分子散射共振被报道过”、“当前超冷化学研究的主要困难在于势能面的短程部分的信息无法从以往的实验中获取。从这种意义上说,这一工作改变了超冷极性分子和超冷物理化学的游戏规则”;“这一工作是当前原子分子物理研究的亮点,具有非常重要的意义”。

  Nature:南方科技大学、中国科学技术大学华及新加坡科技设计大学在Nature首次在ZrTe5晶体中实现三维量子霍尔效应(3D QHE)

  研究人员在磁场下对块状ZrTe5晶体进行低温电传输测量,并在相对较低的磁场下实现极限量子极限,其中仅占用最低的Landau水平。在这种情况下,研究人员观察到接近于零的无耗散纵向电阻率,伴随着与沿场方向的费米波长的一半成比例的良好发展的霍尔电阻率平台。这种响应是3D QHE的特征,强烈暗示了在极限量子下由增强的相互作用效应驱动的费米表面不稳定性。

  通过进一步增加磁场,纵向霍尔电阻率都显著增加并且显示金属 - 绝缘体转变,其表示另一个磁场驱动的量子相变。该研究结果提供了3D QHE的实验证据,并为进一步探索3D系统中的奇异量子相和跃迁提供了有希望的平台。

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